麻疯树AP2/ERF基因家族孤儿基因Soloist的克隆与原核表达分析

【目的】含有AP2结构域的AP2/ERF蛋白是与植物抗逆性密切相关的转录因子家族,Soloist是AP2/ERF家族中的孤儿基因,大部分植物只有1个。克隆麻疯树该基因编码框的全长c DNA序列,并对其理化性质、基因结构、启动子区域调控元件、表达特性及蛋白原核表达进行分析,为深入开展麻疯树Soloist基因的功能鉴定及其在麻疯树遗传改良中的应用提供依据。【方法】利用AP2结构域的隐马尔可夫模型结合拟南芥与水稻的Soloist蛋白序列对麻疯树蛋白质数据库进行相似性检索,经过Pfam与CDD在线工具的验证获得麻疯树AP2/ERF基因家族成员。利用不同的工具对Soloist基因进行生物信息学对比分析。通过实时荧光定量PCR检测该基因在麻疯树不同器官及低温处理下的相对表达量。通过双酶切构建该基因的原核表达载体,并转化大肠杆菌BL21(DE3)菌株进行IPTG诱导表达,分别收集不同诱导时间段的菌液,SDS-PAGE检测融合蛋白的表达情况。【结果】共鉴定到119个麻疯树AP2/ERF家族基因,其中包含1个Soloist基因,命名为Jc Soloist。序列分析显示,麻疯树Jc Soloist基因编码框长度为699 bp,编码232个氨基酸,预测分子量为26.3 k Da,理论等电点为9.65,包含6个外显子与5个内含子。在其基因启动子序列中鉴定到TATA框、CAAT框,以及赤霉素、水杨酸及干旱等应答元件。表达分析显示,麻疯树Jc Soloist基因在麻疯树各器官中都有表达,但表达水平具有器官特异性,在根中表达量较高,而在叶片中表达量相对较低,同时,在叶片与根中都属于低温诱导表达基因,分别在低温胁迫3 h与24 h达到最大表达量,较对照提高34.38倍与3.83倍。构建了p ET-32a-Jc Soloist重组载体,且在原核细胞中稳定表达,SDS-PAGE结果显示融合蛋白分子量为46.0 k Da,与预期大小一致。【结论】麻疯树AP2/ERF基因家族鉴定到1个Soloist基因,包含由3条反平行β-折叠与1条α-螺旋组成的AP2结构域,与其他物种的报道一致。基因启动子区域鉴定到赤霉素、水杨酸等顺式作用元件,暗示该基因在麻疯树激素信号转导中发挥重要作用。Jc Soloist基因在麻疯树叶片与根中受低温诱导表达显著,说明该基因参与麻疯树低温响应过程以及低温信号转导途径,也成为麻疯树抗冷新品种选育的候选基因。

小桐子MYB基因家族的鉴定及JcMYB308基因的克隆与低温表达分析

MYB转录因子家族参与植物生长发育及对环境胁迫的应答等过程。该实验基于小桐子基因组数据库,对MYB基因家族进行鉴定,克隆了小桐子Jc MYB308基因,并对其功能结构域、系统进化、基因结构及低温表达特性进行了分析。结果表明,小桐子全基因组共鉴定到213个MYB基因家族成员,聚类为6个亚家族。克隆的Jc MYB308基因片段长度为713 bp,基因结构具有较高的保守性,均含有两个外显子,进化树显示其与同属大戟科的蓖麻亲缘关系最近,序列一致性为62.7%。q RT-PCR表达分析表明,小桐子Jc MYB308基因的表达存在组织表达特异性,在根中表达量较高,而在叶片中表达量相对较低,在根与茎中低温胁迫24 h时达到最大表达量。

小桐子CDPK及相关激酶基因家族的全基因组鉴定及表达分析

基于小桐子基因组数据库,在全基因组水平对小桐子CDPK及相关激酶基因家族进行鉴定,并对其系统进化、基因结构、保守结构域、染色体定位以及器官与低温胁迫表达进行分析,为深入开展小桐子CDPK及相关激酶基因的功能鉴定及其在小桐子遗传改良中的应用提供依据。利用CDPK结构域的隐马尔可夫模型对小桐子蛋白质数据库进行相似性检索,经过Pfam与CDD在线工具的验证获得小桐子CDPK及相关激酶基因家族成员。利用不同的工具对CDPK及相关激酶基因进行生物信息学对比分析。通过小桐子器官与低温表达谱数据进行CDPK及相关激酶基因的表达分析。小桐子基因组中共检索到17个CDPK基因、5个CRK基因、2个PPCK基因、4个PEPRK基因以及1个CCaMK基因,各基因家族成员的基因长度、蛋白质等电点及亚细胞定位等理化参数具有家族特异性。序列比对与系统进化分析显示,5个基因家族都单独聚类,而CDPK与PEPRK基因家族又分别聚类为4个与2个亚族,且鉴定到小桐子CDPK家族成员的N-端可变区、激酶结构区、自抑区及EF-hand调控区4个保守结构域以及其他激酶成员的激酶结构域。同时,分别有21个与24个CDPK及相关激酶可能发生N-豆蔻酰化与N-十六烷酰化的修饰。染色体定位表明,小桐子CDPK及相关激酶基因不均匀地分布于10条染色体上,且存在JcCDPK7/JcCDPK9串联复制现象。转录组表达分析表明,29个CDPK及相关激酶基因中,有24个基因在叶片、根及种子中都有表达,而JcCDPK3、JcCDPK11、JcCRK3及JcCCaMK属于低温诱导高表达基因,与小桐子的抗冷性直接相关。

小桐子ACO1基因的克隆与表达分析

为探讨ACO1基因在小桐子抗逆中的作用,本研究基于小桐子最新注释的基因组数据库,首次克隆了小桐子ACO1基因的全长CDNA序列,命名为Jc ACO1,并对其功能结构域、系统进化、基因结构及器官和低温表达特性进行了分析。结果表明,克隆的Jc ACO1基因全长为1 022bp,编码319个氨基酸,预测分子量为36. 0kDa,等电点5. 5。序列比对表明,小桐子Jc ACO1在序列中部保守性较高,具有1个Pcbc superfamily保守结构域。进化树分析显示,小桐子Jc ACO1基因与毛果杨、橡胶树、木薯的同源性较高。qRT-PCR表达分析表明,小桐子幼苗Jc ACO1基因存在器官表达特异性,在叶与茎中表达量较高,而在根中表达量较低。另外,Jc ACO1基因在三种器官中都受低温诱导,低温胁迫24h时,基因在根与茎中表达量最大。说明Jc ACO1基因表达量升高,以响应小桐子的抗冷胁迫。

小桐子转化酶基因家族的生物信息学分析及表达特性

转化酶是植物蔗糖代谢与抗逆性形成的关键酶。基于小桐子基因组数据,鉴定到16个小桐子转化酶基因,并对其系统进化、基因结构、理化性质、保守基序及表达特性进行了分析。结果表明,小桐子转化酶基因家族聚类为3个亚家族,中性/碱性转化酶α亚组与酸性转化酶基因包含6或7个外显子,β亚组包含4或5个外显子。同时,酸性转化酶N端都包含信号肽序列,且都鉴定到GH32家族保守的-NDPNG/A-与-MWECV/P-基序。qRT-PCR表达分析显示,JcC-INVD基因在小桐子子叶中表达量最高,而在根中表达量较低,且在叶中属于低温诱导基因。

小桐子HXT基因家族的全基因组鉴定及表达分析

为了进一步理解己糖转运蛋白基因家族的结构特征以及其在植物逆境信号转导过程中的作用,基于小桐子基因组数据,鉴定到15个小桐子己糖转运蛋白基因,并对其基因结构、进化关系、密码子偏性及低温表达特性进行了分析。结果表明,15个小桐子HXT基因聚类为5个亚组,包含2~5个外显子,且在基因上游调控区包含ABA、乙烯、干旱及低温等逆境响应元件。编码蛋白质都富含疏水性氨基酸,具有典型的12个α-螺旋跨膜区。另外,部分小桐子HXT基因存在交叉共线性关系及基因倍增现象,且密码子的第3位碱基偏好使用U或A。荧光定量分析显示,Jc HXT_13L与Jc HXT_C基因在小桐子的各器官中都有表达,其中,Jc HXT_13L在茎中表达量较高,而Jc HXT_C在根中表达量较高,Jc HXT_13L与Jc HXT_C在根与叶片中受低温诱导上调表达明显,与小桐子的抗冷性形成直接相关。为进一步探索小桐子HXT基因的生物学功能及参与小桐子抗冷分子机制奠定了理论基础。